היכולת למקם מקור ריח היא הכרחית להישרדות חרק והוא צפויה לחול על מעקב ריח מלאכותי. הרובוט שבשליטת החרקים מונע על ידי silkmoth בפועל ומאפשר לנו להעריך את יכולת מעקב הריח של חרקים באמצעות פלטפורמה רובוטית.
Method Article
היכולת למקם מקור ריח היא הכרחית להישרדות חרק והוא צפויה לחול על מעקב ריח מלאכותי. הרובוט שבשליטת החרקים מונע על ידי silkmoth בפועל ומאפשר לנו להעריך את יכולת מעקב הריח של חרקים באמצעות פלטפורמה רובוטית.
לוקליזציה של מקורות ריח רובוטיים הייתה תחום מאתגר וכזה שהידע הביולוגי צפוי לתרום לו, שכן מציאת מקורות ריח היא משימה חיונית להישרדות אורגניזם. חרקים הם אורגניזמים שנחקרו היטב בכל הנוגע למעקב אחר ריחות, והאסטרטגיות ההתנהגותיות שלהם יושמו על רובוטים ניידים לצורך הערכה. גישה זו "מלמטה למעלה" היא דרך בסיסית לפתח רובוטים ביומימטיים; עם זאת, הניתוחים הביולוגיים והמידול של מנגנוני התנהגות עדיין נמשכים. לכן, עדיין לא ידוע כיצד מערכת ביולוגית כזו פועלת בפועל כבקר של פלטפורמה רובוטית. כדי לענות על שאלה זו, פיתחנו רובוט הנשלט על ידי חרקים שבו עש משי בוגר זכר (Bombyx mori) נוהג במכונית רובוטית בתגובה לגירוי ריח; ניתן להתייחס לכך כאב טיפוס של רובוט חיקוי חרקים עתידי. בתא הטייס של הרובוט, עש משי קשור הלך על כדור נתמך אוויר וחיישן אופטי מדד את סיבובי הכדור. סיבובים אלה תורגמו לתנועת הרובוט הדו-גלגלי. היתרון בגישה "היברידית" זו הוא שהנסיינים יכולים לתפעל כל פרמטר של הרובוט, מה שמאפשר להעריך את יכולת מעקב הריח של חרקים ומספק הצעות שימושיות למעקב אחר ריחות רובוטיים. יתר על כן, מניפולציות אלו הן דרכים לא פולשניות לשנות את הקשר החושי-מוטורי של חרק טייס ויהוו טכניקה שימושית להבנת התנהגויות אדפטיביות.
רובוטים אוטונומיים המסוגלים למצוא מקור ריח יכולים להיות חשובים לבטיחות ולביטחון החברה. הם יכולים לשמש לאיתור קורבנות אסון, של סמים או חומרי נפץ בשדה תעופה, ושל דליפות או דליפות של חומרים מסוכנים בסביבה. נכון לעכשיו, אנו מסתמכים לחלוטין על בעלי חיים מאומנים היטב (למשל, כלבים) למשימות אלה, ולוקליזציה של מקורות ריח רובוטיים צפויה מאוד להקל על עומס העבודה של בעלי חיים אלה. מציאת מקור ריח היא משימה מאתגרת עבור רובוטים מכיוון שריחות מופצים לסירוגין באטמוספירה1; לכן, דגימה רציפה של שיפוע ריכוז הריח אינה תמיד אפשרית. לפיכך, אסטרטגיית חיפוש המשתמשת ברמזי ריח לסירוגין נחוצה להשגת לוקליזציה רובוטית של מקור ריח2-4.
לוקליזציה של מקור ריח חיונית להישרדות אורגניזם וכוללת משימות כמו מציאת מזון, שותפים להזדווגות ואתרים להטלה. כדי להתגבר על הקושי במעקב אחר ריחות מבוזרים טלאים, אורגניזמים פיתחו אסטרטגיות התנהגותיות שונות המורכבות משתי התנהגויות בסיסיות: תנועה במעלה הזרם במהלך קליטת ריח וחציית זרם במהלך הפסקת קליטת ריח5,6. אסטרטגיות תגובתיות אלה תועדו היטב בחרקים ושולבו עם שיטות אחרות, כגון כיוון רוח וראייה5-8. המודלים ההתנהגותיים של חרקים היו גם דוגמאות שימושיות לרובוטיקה3,9-11, שבה אלגוריתמים התנהגותיים או מודלים של מעגלים עצביים מיושמים ברובוטים ניידים להערכת יכולות לוקליזציה של מקורות ריח10,12-15. מנקודת מבט ביומימטית, גישה זו "מלמטה למעלה" היא בהחלט דרך בסיסית לפתח רובוטים ביומימטיים. עם זאת, הגישה מלמטה למעלה אינה קיצור דרך להשגת אסטרטגיית חיפוש שימושית, מכיוון שניתוחים ביולוגיים עדיין נמשכים, והמודלים של המערכות החושיות-מוטוריות שמאחורי התנהגויות חרקים לא הושלם. לכן, עדיין לא ידוע כיצד מערכת ביולוגית כזו פועלת בפועל כבקר של פלטפורמה רובוטית.
במאמר זה, אנו מדגימים את הפרוטוקול של גישה פשוטה "מלמעלה למטה" לפיתוח רובוט נייד למעקב אחר ריחות הנשלט על ידי מערכת ביולוגית16,17. הרובוט נשלט על ידי חרק אמיתי וניתן להתייחס אליו כאב טיפוס של רובוטים עתידיים מחקי חרקים. בתא הטייס של הרובוט, עש משי זכר קשור (Bombyx mori) הלך על כדור נתמך אוויר בתגובה לפרומון המין הנקבי, שהועבר לכל אנטנה דרך צינורות יניקת אוויר. סיבובי הכדור שנגרמו כתוצאה מהליכה של העש על הסיפון נמדדו על ידי חיישן אופטי ותורגמו לתנועת הרובוט הדו-גלגלי. היתרון של גישה "היברידית" זו הוא שהנסיינים יכולים לחקור כיצד פועלת המערכת התחושתית-מוטורית של החרקים על הפלטפורמה הרובוטית שבה חרק טייס נמצא בלולאה סגורה בין הרובוט לנסיבות ריח אמיתיות. המניפולציה של החומרה הרובוטית משנה את הלולאה הסגורה; לכן, הרובוט הנשלט על ידי חרקים הוא פלטפורמה שימושית הן למהנדסים והן לביולוגים. עבור הנדסה, הרובוט מייצג את הצעדים הראשונים של יישום מודל ביולוגי כדי לעמוד בדרישות למשימות רובוטיות. עבור הביולוגיה, הרובוט הוא פלטפורמה ניסיונית לחקר בקרה חושית-מוטורית תחת לולאה סגורה.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. בעלי חיים הניסיונות
2. היא קושרת Silkmoth
רובוט 3. חרקים שבשליטה
4. הכנת מקור ריח
הערה: זכר B. המורים רגישים המרכיב העיקרי של פרומון המין הנשי conspecific (bombykol: (E, Z) -10,12-hexadecadien-1-ol) 20. כל זיהום של ציוד הניסיון עם bombykol מעורר התנהגות מעקב הריח ומשפיע על יכולת התגובה של העש.
5. ניסוי לוקליזציה מקור הריח
מניפולציה 6. של רובוט שבשליטת חרקים
הערה: התזמון של כל מניפולציה מופיע באיור 9.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
אנו מציגים כאן את המאפיינים הבסיסיים של הרובוט שבשליטת החרקים הנדרש הלוקליזציה המוצלחת של מקור ריח. ההשוואה בין הרובוט לבין silkmoths, את האפקטיביות של מערכת מסירת הריח, ואת המשמעות של חוש ריח הבילטרליים מדויק קלט ויזואלי נבחנת.
ההשוואה של התנהגויות-מעקב ריח בין עש-הליכה בחופשיות הרובוט שבשליטת חרקים מוצג באיור 10A ו- B.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הנקודות החשובות ביותר עבור השליטה המוצלחת של הרובוט על ידי silkmoth נותנות העש ללכת בצורה חלקה על הכדור נתמך-האוויר ואת ביציבות מדידת סיבוב הכדור. לכן, קושרים את silkmoth ו לתלות אותו על הכדור במיקום המתאים הם השלבים הקריטיים בפרוטוקול זה. הדבקה לא ראויה של העש לקובץ המצורף או המיצוב הולם של העש על הכדור תגרום לחץ טבעי על זה, אשר מדאיג התנהגות ההליכה הרגילה שלה ו / או גורם כישלון של החיישן האופטי למדוד את סיבוב הכדור. חספוס בכדור קלקר כמו כן, חשוב למנוע עש מן החלקה. התנועה של העש ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מודים לשיגרו מטסויאמה על סיפוק בומביקול מטוהרת. העבודה הזו נתמכה על ידי האגודה היפנית לקידום המדע KAKENHI (מספרי מענקים 22700197 ו-24650090) ותוכנית מדעי הגבול האנושי (HFSP).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| עש משי בוגר זכר (Bombyx mori) | מגדל מביצים, או נרכש כגלם. | ||
| חממת | Panasonic | MIR-254 | אחסן גלמים או עש משי בוגרים בטמפרטורה קבועה, 238 ליטר. |
| קופסת פלסטיק | Sunplatec | O-3 | חנות גלמים או עש משי בוגרים, 299 ופעמים; 224 ופעמים; 62 מ"מ L ופעמים; W & Times; ח. |
| נחושת | בקוטר 2 מ"מ לקובץ המצורף. כל מוט קשיח יכול לשמש כחלופה להפיכת החיבור לקשירת עש משי. | ||
| יריעת פלסטיק | Kokuyo | VF-1420N | נמכר כסרט מקרן עילי בעובי של 0.1 מ"מ. השתמש בקצה הקובץ המצורף. |
| מלקחיים | כאחד | 5SA | הסר קשקשים על בית החזה. |
| דבק | Konishi | G17 | הצמד עש משי לקובץ המצורף. |
| רובוט נשלט על ידי חרקים | מותאם אישית | הליכון נתמך אוויר, חיישן אופטי, לוחות מיקרו-בקר מבוססי AVR שנבנו בהתאמה אישית ושני מנועים ללא מברשות DC. הוא מופעל על ידי 8 ופעמים; AA ו-3 ופעמים; 006P. | |
| מיקרו-בקר | Atmel | ATMEGA8 | רכיב של הרובוט הנשלט על ידי חרקים. |
| מפוח DC | Nidec | A34342-55 | רכיב של הרובוט הנשלט על ידי חרקים להצפת כדור בהליכון נתמך אוויר. |
| מאוורר DC | Minebea | 1606KL-04W-B50 | רכיב של הרובוט הנשלט על ידי חרקים לשאיבת אוויר המכיל ריח. |
| חיישן עכבר אופטי | טכנולוגיות Agilent | HDNS-2000 | רכיב של הרובוט הנשלט על ידי חרקים, המתקבל מעכבר אופטי (M-GUWSRSV, Elecom, יפן). |
| מנוע ללא מברשות | Maxon | EC-45 | רכיב של הרובוט הנשלט על ידי חרקים להנעת גלגל. |
| פוליסטירן לבן | מרכיב של הרובוט הנשלט על ידי חרקים. קוטר 50 מ"מ, מסה כ -2 גרם. | ||
| בומביקול: (E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol | Shin-Etsu כימי | סינתזה מותאמת אישית. | |
| n-hexane | Wako | 085-00416 | ממס לבומביקול. |
| מנהרת רוח | מותאם אישית | סוג משיכת אוויר, בגודל 1,800 ופעמים; 900 ופעמים; 300 מ"מ L ופעמים; W & Times; ח. | |
| תוכנית BioSignal | מותאמת אישית | תוכנית ליצירת תקשורת סדרתית בין הרובוט הנשלט על ידי חרקים למחשב באמצעות Bluetooth. משמש לשליחת פקודות להתנעה/עצירה של הרובוט או להגדרת המאפיינים המוטוריים שלו. | |
| מצלמת וידיאו | Sony | HDR-XR520V | לכידת תנועות רובוט. |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission